生物化学 第七章 新陈代谢及生物能学

《生物化学‖》

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第七章代谢总论及生物能学第一节代谢总论什么是新陈代谢？新的来，旧的去花开花落“长江后浪推前浪，一代新人换旧人”

生化定义——泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一1、营养物质的摄取与吸收利用光能的生物（植物、微生物）食草动物

食腐动物（微生物）食肉动物（轮回）新陈代谢的过程2、将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结构物质或功能物质）分解为机体所需的结构元件或分解供能3、将结构元件装配成大分子（结构物质、功能物质）4、在物质代谢的同时进行能量代谢主要涉及目前已经清楚的细胞内四大物质的合成与分解。1、不同生物的代谢大同小异大同各类生物的物质的代谢途径十分相似小异

低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好氧代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。新陈代谢的特点2、反应步骤繁多，具有严格的顺序性；

3、与环境相适应，自动调节；

在整体水平进行调节在细胞水平进行调节通过酶活性调节来进行调节。（39章）分解代谢：将从外界摄取或机体原有的物质物质通过一系列的反应步骤变为较小的、较简单的物质的过程。合成代谢：生物利用小分子或大分子结构元件构建自身大分子的过程。一、物质的分解代谢与合成代谢合成代谢分解代谢生物体的新陈代谢生物小分子合成生物大分子一般需要能量一般释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢二、能量代谢在新陈代谢中的作用维持生命活动的能量来源光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。

外界摄取的营养物质和机体内储存的物质如：糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水

ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物非储存能量的形式,是传递能量的形式ATP的性质ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。另外：GTP对G蛋白的活化、蛋白质的生物合成、蛋白质的寻靶作用以及蛋白质运转等过程提供自由能；UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；CTP在合成磷脂酰胆碱及纤维素等方面有作用。三、能量代谢中的其他重要物质1、辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ2、FMN和FAD3、CoA-SH烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶I）NAD+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ）NADP+烟酰胺NAD+磷酸NADP+NMPAMPO功能：脱氢酶辅酶

传递HVB2H二甲基异咯嗪核糖醇？键相连核苷键黄素单核苷酸

FMN黄素腺嘌呤二核苷酸

FADAMPFMNVB2FAD功能：脱氢酶辅酶

传递H辅酶A（CoA~SH）3`.5`-ADP3`5`巯基乙胺酰胺键磷酸二酯键泛酸功能——酰基转移酶辅酶，传递酰基在脂类与糖类代谢中起重要的作用四、代谢的研究方法代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢的研究内容也即分为两个方面：参与的酶物质的变化过程通过巧妙的实验设计、严密的逻辑推断与重复性的验证。整体方法（invivo)纯化合物排泄物的化学分析典型案例脂肪酸的β氧化Knoop的标记化合物实验脂肪酸的β氧化脂肪酸末端甲基接上苯基偶数碳FA苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）奇数碳FA苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）离体法(invitro)器官、组织或细胞各类组织细胞各种破碎方法碎片置于试管中向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。典型案例

糖代谢、生物氧化等等1、利用酶的抑制剂代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累碘乙酸——3-磷酸甘油醛脱氢酶氟化钠——烯醇化酶2、利用遗传缺陷症研究代谢途径参与酶的确定黑色素是吲哚醌的聚合物白化病(albinism)缺乏酪氨酸酶酪氨酸酶尿黑酸尿症(alkaptonuria)尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸裂环降解受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相应的对醌，后者可聚合为黑的色素。尿黑酸氧化酶同位素示踪法利用含放射性同位素的物质，测试其在不同物质间的转移γβ高能化合物ATP物质的转化第二节生物能学一、有关热力学的一些基本概念（一）、体系宇宙太阳系地球每个生物或非生物化学反应体系能量的传递形式热功？内能的传递方式？动能、势能转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等（二）、能的两种形式体系总能量=可做功的能+不能做功的能（H）（自由能G）（热能）

热力学第一定律(能量转化与守恒定律)

热力学第二定律(能量传递的方向性定律)

当体系的状态发生变化后总能量不变变化的是G（△G）变化朝自由能降低的方向进行（—△G）二、化学反应体系中的自由能（一）根据自由能变化可以判断中间物质代谢方向状态AGA

状态BGB

△G=GB—GA

当反应体系恒温、恒压下发生变化时①△G＜0时，W＞0，体系对外作功，该反应可自发进行，放能反应②△G=0时，W=0，该反应处于平衡③△G＞0时，W＜0，该反应不可自发进行，必须吸收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反应的逆过程可以自发进行。（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反应所驱动A

→B

△GO＞0（不能自发进行）C→D△GO＜0（能自发进行）A+C

→B+D

△GO＜0（能自发进行）三、高能化合物定义：一般将水解时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。高能化合物（水解）→低能化合物

△GO＜0（能自发进行）————————————————————————————————A

→B

△GO＞0（不能自发进行）A+高能化合物

→B+低能化合物

△GO＜0（能自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？（一）功能高能基团的传递有着十分重要的生物意义激酶——激活底物（A）连接高能键的酶A+高能化合物B+低能化合物活化（能量增加）反应

激酶类似的活化反应十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。例D-葡萄糖

+

ATPD-6-磷酸葡萄糖

+

ADP

激酶硫酯键化合物~

S甲硫键化合物CH3~S+-C-CO（二）高能化合物的种类~高能键,水解断开，并可传递能量磷氧型-O~P磷氮型HN=C-N~P(O)磷酸化合物非磷酸化合物1,磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔30.5KJ/mol（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2,氮磷键型磷酸肌酸（N-甲基-胍基乙酸）磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔（虾、蟹）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。3,硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A4,甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸（三）ATP的结构特点酸酐键磷酯键1、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。2、pH=7时，ATP带4个负电荷，互相排斥。3、产物（ADP和磷酸）比ATP稳定。高能化合物由于内在因素本身化学不稳定(G高)，水解产物稳定(G低)。（四）细胞内影响ATP水解的因素pH（pH越高，放出的能量越多）

（五）ATP“能量中间体”稳定程度不同，各种高能化合物的△Go`有高低之分

磷酸肌酸

暂时储能物质磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸作用：能量传递转化传递传递磷酸肌酸（哺乳类）磷酸精氨酸（虾、蟹）（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用H磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP△G=△G1+△G2=-43.1+30.5=-12.6KJ/mol在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。（七）ATP断裂成AMP和焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔2-6.9千卡/摩尔7.3+6.9=14.2千卡/摩尔活化底物需要更多能量时(八